Согласно модели атома Бора, электрон перескакивает на более высокую орбиту при поглощении фотона и соскакивает на более низкую при излучения фотона
Однако на протяжении всего XIX века становилось все очевиднее, что такая модель неприемлема. Поворотной точкой здесь стали открытия выдающихся английских физиков-экспериментаторов Дж. Дж. Томсона и Эрнеста Резерфорда структуры атома.
Однако тут же возникла новая проблема - составной атом ни был устойчив и имел мгновенно распадаться. Решить эту проблему и направить физиков правильным путем понимания атомной структуры удалось молодому датскому теоретику Нильсу Бору, что недавно прибыл на стажировку в Англию после защиты докторской диссертации у себя на родине.
Бор развил квантовую теорию еще на шаг и применил ее к состоянию электронов на атомных орбитах. Он показал, что электрон не может находиться на произвольном удалении от атомного ядра, а может быть только на фиксированных орбитах, которые получили название «разрешенные орбиты». Электроны, находящиеся на таких орбитах, не могут излучать электромагнитные волны. Поэтому они и содержатся на своей орбите, подобно самолета в аэропорту отправления, когда аэропорт назначения закрыт из-за непогоды.
Однако электроны могут переходить на другую разрешенную орбиту. Как и большинство явлений в мире квантовой механики, этот процесс не так просто представить наглядно. Электрон просто исчезает с одной орбиты и материализуется на другой, не пересекая пространства между ними. Этот эффект назвали «квантовым скачком».
Если электрон перескакивает на более низкую орбиту, он теряет энергию и, соответственно, испускает квант света - фотон фиксированной энергии с фиксированной длиной волны. На глаз мы различаем фотоны разных энергий по цвету - раскаленный на огне медная проволока светится синим, а натриевая лампа уличного освещения - желтым. Для перехода на более высокую орбиту электрон должен, соответственно, поглотить фотон.
Со временем интуитивная гипотеза Бора уступила место строгому систематическом формулировке в рамках законов квантовой механики и, в частности, концепции двойственной природы элементарных частиц - корпускулярно-волновом дуализма. Сегодня электроны представляются нам не микроскопическими планетами, вращающимися вокруг атомного ядра, а волнами вероятности, что хлопают внутри своих орбит подобно приливов и отливов в бассейне сложной формы.
Почему Солнце не светит в некоторых цветах? Спектр демонстрирует, что наше желтое Солнце излучает фотоны абсолютно всех цветов, при этом оно ярче в желто-зеленой части спектра. Темные полосы в спектре представляют собой свет, исходящий из внутренних слоев и его поглощает газ у поверхности и над ней. Различные химические элементы в составе газа поглощают фотоны разных цветов, поэтому по спектру мы можем определить, из каких химических элементов состоит газ на Солнце
Нильс Бор - один из пионеров физики ХХ века, основатель копенгагенской школы квантовой механики, был удостоен Нобелевской премии по физике 1922 года. Кроме выдающихся научных достижений, он стал буквально отцом и наставником для целого поколения европейских и американских физиков-теоретиков и пользовался глубоким уважением даже со стороны ученых, имевших принципиальные с ним разногласия.
Французский физик Луи де Бройль, пытаясь найти объяснение Постулированная 1913 Бором условиям квантования атомных орбит, 1924 году выдвинул гипотезу о всеобщности корпускулярно-волнового дуализма. Согласно этой гипотезе, каждой частице, независимо от ее природы, надо поставить в соответствие волну, длина которой связана с импульсом частицы. То есть не только фотоны, но и все «обычные частицы» (электроны, протоны и др.) обладают волновыми свойствами, которые, в частности, должны проявляться в дифракции частиц.
Де Бройль удалось сформулировать соотношение, связывающее импульс квантовой частицы с длиной волны. Это соотношение свидетельствует буквально следующее: при желании можно рассматривать квантовый объект как частицу, обладает количеством движения, с другой стороны, ее можно рассматривать и как волну. Иными словами, волновые и корпускулярные свойства квантовой частицы фундаментальным образом взаимосвязаны.
Соотношение де Бройля позволило объяснить одну из величайших загадок зарождающейся квантовой механики. Когда Нильс Бор предложил свою модель атома, она содержала концепцию разрешенных орбит электронов вокруг ядра, по которым они могли как угодно долго вращаться без потери энергии. С помощью соотношения де Бройля мы можем проиллюстрировать это понятие. Если считать электрон частицей, то, чтобы электрон оставался на своей орбите, у него должна быть одна и та же скорость (или, вернее, импульс).
Если же считать электрон волной, то, чтобы он вписался в орбиту заданного радиуса, нужно, чтобы длина окружности этой орбиты равна целому числу длины его волны. Иными словами, окружность орбиты электрона может быть равен лишь одной, двум, трем (и так далее) длинам волн его. В случае нецелого числа длин волны электрон просто не попадет на нужную орбиту.
В историю также вошел кажущийся парадокс, сформулированный Шредингером, получивший название квантовый «Кот Шредингера»:
В закрытую шкатулку поместили кота. В ящике имеется механизм, содержащий радиоактивное ядро и емкость с ядовитым газом. Параметры эксперимента подобраны так, что вероятность распада за 1 час составляет ровно 50%. Если ядро распадается, оно приводит механизм в действие, он открывает емкость с газом, и кот погибает. Согласно квантовой механике, если над ядром не производится наблюдения, то его состояние описывают смешением двух состояний - ядра в распаде и целого, следовательно, кот, сидящий в ящике, и жив и мертв одновременно. Если же ящик открыть, то экспериментатор обязан увидеть только какой-то один конкретный состояние - «ядро распалось, кот мертв» или «ядро НЕ распалось, кот жив». Говоря о частице, мы представляем комочек вещества, находящегося в конкретный момент в определенном месте, что имеет определенную энергию и движется с четко определенной скоростью. При этом мы допускаем, что можно совершенно точно задать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент. Однако, связывая импульс частицы с длиной волны, мы от частицы переходим к образу бесконечной синусоиды, тянется во всем пространстве. Выражение «длина волны в определенной точке» не может иметь никакого смысла, так же как и понятие точечного импульса.
Шредингер придумал свой мысленный эксперимент, считая квантовую механику неполной и такой, что не до конца описывает нашу реальность. Поскольку понятно, что кот обязательно должен быть либо живым, либо мертвым (не существует состояния, промежуточного между жизнью и смертью), то это означает, что это справедливо и для атомного ядра. Оно должно быть или в распаде, или целым.
Нильс Бор считал, что система «Квантовый кот» перестает быть смешением состояний и выбирает одно из них в тот момент, когда происходит наблюдение. Эксперимент с котом показывает, что в этой интерпретации природа собственно действия - наблюдения и измерения - определена недостаточно. До тех пор, пока ящик закрыт, система находится в обоих состояниях одновременно: «распалось ядро, мертвый кот» и «целое ядро, живой кот», а когда ящик открывают, то только тогда происходит определение одного из вариантов.
В середине прошлого века американский физик Хьюго Еве-Ретт предложил багатосвитову интерпретацию квантовой механики, в которой оба состояния кота существуют, но взаимодействуют особым образом. Когда наблюдатель открывает ящик Мир расщепляется на два разных вселенные, в одном из которых наблюдатель смотрит на ящик с мертвым котом, а в другом другой наблюдатель смотрит на живого кота. Парадокс?
Известный английский физик Стивен Хокинг однажды воскликнул: «Когда я слышу про кота Шредингера, моя рука тянется за ружьем!» Окончательного единства среди физиков по этому вопросу все еще не достигнуто. В дальнейшем мы увидим, что абсолютно абстрактные на первый взгляд рассуждения о котах и квантовые законы вполне применимы на практике: в квантовых вычислениях и квантовой криптографии. По оптическому проводнику можно послать световой сигнал, который напоминает смесь из двух состояний. Если злоумышленники подключатся к кабелю где-то посередине и сделают там отвод сигнала, чтобы подслушивать передаваемую информацию, то это тут же изменит сигнал (будет выполнено наблюдение) и свет перейдет в одно из состояний. Проведя статистические пробы света на приемном конце кабеля, можно будет обнаружить, находится свет в смеси состояний или над ним уже выполнены наблюдения и передачи в другой пункт. В принципе это делает возможным создание средств связи, исключающие возможность незаметного перехвата сигнала и подслушивания.
Утверждение, что электрон только приближенно можно рассматривать как материальную точку, означает, что его координаты, импульс и энергия могут быть заданы только приближенно. Количественно это выражено соотношением неопределенностей Гейзенберга.
Согласно соотношению неопределенностей, чем точнее фиксирован, например, импульс, тем больше неопределенность будет в значении координаты. Согласно принципу неопределенности, теряет смысл одно из важнейших понятий классической механики - понятие траектории частицы.
Ведь это понятие предполагает, что в любой момент времени частица находится в определенной точке пространства и имеет импульс, направленный по касательной к траектории. Теперь уже нельзя говорить, что частица движется вдоль какой-то линии. Ньютоновский описание движения в микромире становится невозможным.
В классической физике, построенной на ньютоновских принципах и применимой к объектам нашего обычного мира, мы привыкли игнорировать тот факт, что инструмент измерения, взаимодействуя с объектом измерения, влияет на него и изменяет его свойства, включая, собственно, измеряемые величины.
Загрузка...